董佳

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.057

摘 要：該文對于有機(jī)實(shí)驗(yàn)中合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對于實(shí)驗(yàn)中的效率及污染性能均提出了相對應(yīng)的改進(jìn)方案，實(shí)驗(yàn)中所用的催化劑所具有的安全性能也較高，希望能夠完善合成溴乙烷的有機(jī)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)實(shí)驗(yàn) 合成溴乙烷 安全催化劑 改進(jìn)

中圖分類號：O623.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0057-03

1 合成溴乙烷

合成溴乙烷是有機(jī)實(shí)驗(yàn)中的著名實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)為：學(xué)會以結(jié)構(gòu)上相對應(yīng)的醇作為原材料制備鹵代物的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法。合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中所用的藥劑分別是溴化鈉及濃硫酸，還有乙醇，這幾個(gè)化學(xué)藥劑在燒瓶內(nèi)按照一定比例分配后通過加熱，最終就會合成溴乙烷，實(shí)驗(yàn)附屬性產(chǎn)物分別是乙醚及二氧化硫。但是合成溴乙烷的有機(jī)實(shí)驗(yàn)中的副反應(yīng)較多，所能夠合成的溴乙烷回收效率也較低，產(chǎn)品顏色較深。由于在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了濃硫酸，而濃硫酸具有的強(qiáng)氧化性能，造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)存在較大的安全隱患，如果合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，實(shí)驗(yàn)中使用的濃硫酸催化劑將難以收回，造成整個(gè)試驗(yàn)產(chǎn)生大量的濃硫酸廢液，對于環(huán)境污染嚴(yán)重。合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)如果是學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中的人員較為密集，出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性就較高。根據(jù)合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)的這種情況，探索一種安全的催化劑來替代濃硫酸就顯得尤為重要，其能夠幫助學(xué)生將合成溴乙烷作為實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)，提高合成溴乙烷這一實(shí)驗(yàn)的安全性能；與此同時(shí)，還能夠提高合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)對于化學(xué)藥劑的回收效率，縮短整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，從而提高學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的使用效率，改善合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)，讓合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)真正成為綠色、安全的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成對于合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)。

2 催化劑制備

2.1 催化劑的選擇

合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)方程式為：，合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理就是通過濃硫酸作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的催化劑，如果沒有濃硫酸作為試驗(yàn)的催化劑還可以使用固體性強(qiáng)酸，固體性強(qiáng)酸包括：三氧化二鐵型、雜多酸類等。屬于強(qiáng)酸類的主要有：濃硫酸、氨基硫酸。對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)整體性分析中，在實(shí)驗(yàn)中使用固體強(qiáng)酸作為催化劑所具有的形式較為優(yōu)越，并且固體強(qiáng)酸不僅僅能夠擁有較為良好的耐水性能，再生能力十分優(yōu)越，能夠重復(fù)在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，而且固體強(qiáng)酸對于環(huán)境污染較低，滿足合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)安全、綠色化建設(shè)的要求，學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室直接性操作，因此選擇固體強(qiáng)酸作為合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)的催化劑。。

2.2 催化劑的制備

在對于固體強(qiáng)酸催化劑制備中，需要在低溫及劇烈攪拌條件下開展，首先將濃度為6 mL/L的氨水緩慢倒入提前配置好的溶液中，溶液中主要由濃度為10%的二氧化鋁鋅、少量的NaSiO3及活性物質(zhì)構(gòu)成，在緩慢倒入氨水的過程中將溶液酸堿性調(diào)至9左右，這樣就能夠得到固體強(qiáng)酸沉淀，在將沉淀放入0 ℃下冷凍24 h。將制備催化劑實(shí)驗(yàn)的沉淀通過蒸餾水進(jìn)行清洗，一直到沉淀中沒有鋁元素，再將沉淀在高溫情況下研磨，最終就能夠得到無定形復(fù)合氧化物。無定形復(fù)合氧化物需要在濃硫酸中浸泡半個(gè)小時(shí)，再過濾后烘干，最終就能夠得到強(qiáng)酸性固體催化劑，該催化劑的酸堿度在-16左右。

2.3 對催化劑的分析

在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用固體強(qiáng)酸催化劑，該催化劑的活動(dòng)因子有兩種，分別是質(zhì)子酸中心及路易斯酸中心。由于化學(xué)過程的影響，路易斯酸中心在整個(gè)催化劑中僅僅承擔(dān)著輔助性作用，質(zhì)子酸中心在催化劑中起著引領(lǐng)性作用。但是對于固體強(qiáng)酸整體而言，質(zhì)子酸中心及路易斯酸中心都是通過一定形式所形成的一種新酸。如果將固體強(qiáng)酸中的SO42-配位吸引，就能夠?qū)⒐腆w催化劑中的Si-Zr-O上面的電子云進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而讓路易斯酸中心在整個(gè)固體強(qiáng)酸催化劑中承擔(dān)主導(dǎo)性作用，與此同時(shí)，還能夠造成實(shí)驗(yàn)中的二氧化氫發(fā)生解離，并且吸附在質(zhì)子酸中心上，這樣催化劑所擁有的催化性能將明顯提高。

3 合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 合成溴乙烷初步實(shí)驗(yàn)

將濃度為95%的乙醇及濃度為50%的濃硫酸導(dǎo)入100 mL的蒸餾水，將二者均勻混合后，混合物溶液需要冷卻到室溫，在對混合溶液攪拌的過程中加入溴化鈉及固體酸，裝上冷凝管，形成蒸餾裝置，在整個(gè)蒸餾裝置兩端都可以注入冰水混合物，這樣就能夠防止制備的物質(zhì)揮發(fā)。蒸餾裝置的末端需要與接受器中的液面相接觸，蒸餾裝置中支管所使用的橡皮管能夠?qū)?shí)驗(yàn)中的廢棄液體導(dǎo)入下水道中。

采取石棉網(wǎng)對于燒杯加熱的方式，讓整個(gè)合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)初步能夠在穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行，對于燒杯一直加熱到接受器中沒有油滴出即可。正常情況下，整個(gè)合成溴乙烷初步實(shí)驗(yàn)在一個(gè)小時(shí)左右反應(yīng)就可以停止。在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)停止后，應(yīng)該立即將燒杯中的無機(jī)鹽硫酸氫納及固體催化劑倒出，這樣就能夠降低由于硫酸氫鈉由于冷卻所造成清洗困難問題。倒出的硫酸氫鈉也需要通過清洗將表面的不溶性固體物質(zhì)清洗下來，清洗下來的物質(zhì)可以通過晾干及抽濾在下次合成溴乙烷初步實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。

3.2 合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品精制

將蒸餾裝置中的液體小心地轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，分離出液體中的有機(jī)物質(zhì)，再將液體轉(zhuǎn)移到三角燒瓶中，轉(zhuǎn)移的三角燒瓶最好提前在冰水中浸泡，將三角燒瓶中的液體震蕩同時(shí)滴入濃硫酸，滴入濃硫酸的主要目的就是將液體中殘存的乙醚、水、乙醇等雜質(zhì)全部除去，這樣就能夠讓液體在分液漏斗中分層更加清晰，再通過分液漏斗分離出液體中所含有的濃硫酸。

在對于液體中的濃硫酸分離后，將溴乙烷轉(zhuǎn)移到蒸餾燒瓶中，在溴乙烷中加入沸石，水浴加熱，這樣能夠防止溴乙烷在室溫的狀態(tài)下?lián)]發(fā)損失。將已經(jīng)明確重量的干燥燒瓶在冰水中浸泡，收集溫度在40 ℃左右的蒸餾水，最終能夠得到無色透明液體。

合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品精制實(shí)驗(yàn)，是對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)性實(shí)驗(yàn)，通過課堂實(shí)驗(yàn)所具有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件，主要目的就是讓合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诮虒W(xué)中擁有較高的可行性，因此采用化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材的內(nèi)容，但是該文在對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，化學(xué)藥劑自身由于具有的揮發(fā)或者是水溶性質(zhì)，造成溴乙烷出現(xiàn)損失的情況是不可避免的。

4 合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 水量的改變對于實(shí)驗(yàn)反應(yīng)影響

合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)是一個(gè)可逆性實(shí)驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中有水的產(chǎn)生，因此整個(gè)合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中所使用的水量并不需要太大，如果水量使用較大，就會不利于合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的完成，但是如果使用的水平過小，合成的溴乙烷就會由于沒有充足的水出現(xiàn)氣化問題，造成合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不完全。因此，合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中所使用的水量需要精準(zhǔn)性考慮。

通過在乙醇溶液中添加不同量的水，在保證其他化學(xué)藥劑使用濃度及數(shù)量保持不變的情況下，加熱最終得出的產(chǎn)品中，對于溴乙烷數(shù)量進(jìn)行檢測。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中如果添加16 g的水，整個(gè)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的溴乙烷數(shù)量最多為79，如果水量使用降低或者是增加都有可能造成實(shí)驗(yàn)中溴乙烷產(chǎn)量的減少。

4.2 改變催化劑用量對于實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的影響

在對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)催化劑作為分析中，在保證實(shí)驗(yàn)中的乙醇、濃硫酸及NaBr數(shù)量不變的情況下，僅僅改變實(shí)驗(yàn)中的固體強(qiáng)酸用量，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間都在1 h之內(nèi)完成。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中如果適當(dāng)增加催化劑使用數(shù)量，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的所生產(chǎn)的溴乙烷數(shù)量也在增加，但是在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中如果催化劑使用數(shù)量一旦超過1 g，多余出的催化劑并沒有在實(shí)驗(yàn)中承擔(dān)著任何的催化作用，甚至還造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的溴乙烷數(shù)量降低。因此，在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中，所使用的催化劑數(shù)量最好在1 g，這樣催化劑使用數(shù)量最低，但是所產(chǎn)生的溴乙烷數(shù)量最大。

4.3 催化劑重復(fù)及再生使用

在對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，催化劑由原有的濃硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯腆w強(qiáng)酸，主要是由于固體強(qiáng)酸不僅僅擁有良好的催化效能，并且還能夠?qū)饬蛩嵩趯?shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)氧化性及揮發(fā)性能解決，固體強(qiáng)酸能夠回收再次利用，降低對環(huán)境的污染。為了能夠?qū)厥蘸蟮拇呋瘎┐呋ЧM(jìn)行分析，將第一次合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)后的催化劑進(jìn)行回收，再次進(jìn)行合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)。回收后的催化劑需要通過過濾及分析才能夠生產(chǎn)合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)中真正需要使用的催化劑，將催化劑曬干后再次使用。對于再次使用的催化劑催化性能分析主要通過開展對比性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。在保證合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)中相關(guān)因素不變的情況下，根據(jù)合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)的步驟開展分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)使用的催化劑在合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中的催化效果基本一致，因此可以認(rèn)為，重復(fù)使用的固體強(qiáng)酸催化劑對于合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)效果并沒有任何直接性影響，催化劑能夠多次在合成溴乙烷實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，對于合成溴乙烷有機(jī)實(shí)驗(yàn)中的催化劑、水的用量都進(jìn)行了相對詳細(xì)的分析，還發(fā)現(xiàn)催化劑能夠在合成溴乙烷的有機(jī)實(shí)驗(yàn)中重復(fù)使用，并且催化性能還十分優(yōu)良。

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